双馈异步电机进行了数学模型的建立和仿真风力发电.docx

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1、摘要本文是针对双馈风电机组低电压穿越的无功控制策略这一课题做的细致的研究，首先对风力发电的基本原理进行了介绍，分析了影响风力发电机组输出功率的几个因素，介绍了风力发电的发展趋势和国内外的风电发展概况，分析了不同结构的风力发电机组和不同的控制方法对风力发电机的控制，以及风电场对电网的影响和作用。因为在风力发电中，要把风速带来的能量最大化的转化为输入的机械功率，而不同的风速，控制发电机转子不同的转速可以实现最大的机械功率输入。文中对双馈异步电机进行了数学模型的建立和仿真，通过详细的坐标变换的引入，将三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系，我们选用最常用的基于定子电压定向的转子电流控制方式，实现双馈

2、异步电机输出有功功率和无功功率的解耦控制，并且与定子磁链定向控制相比，不需要测量定子侧的磁链，所以实现起来较简单。并且当电网电压骤降时，通过对转子侧电流的控制，改变双馈异步电机输出的无功功率，对电网提供无功功率支持，改善电网的暂态稳定性。关键词：双馈风电机组,无功控制,变速恒频,低电压穿越,定子电压定向AbstractThis article is for double-fed wind turbine low voltage reactive power control strategies across the subject do meticulous research,the purp

3、ose of the stator(grid)voltage directional control,so double-fed wind turbine to achieve the purpose of VSCF operation.While the double-fed wind turbine major failure occurs when the access to the grid(three-phase short circuit)on the low voltage ride through simulation analysis.First,the basic prin

4、ciples of wind power were introduced,analyzed several factors that affect the wind turbine output power,introduced the development trend of wind power and wind power development situation at home and abroad,and analyzes the different structures and different wind turbine control method for wind turb

5、ines,as well as the impact and role of wind farms on the grid.Because wind power,we should bring the wind to maximize energy into mechanical power input,and different wind speeds,different generator rotor speed control can achieve maximum mechanical power input,so the double-fed wind turbine control

6、,mainly to control speed double-fed wind turbine,when the speed changes,it is necessary to control the rotor current,in order to achieve variable speed constant frequency operation.Paper,the doubly-fed induction motor to establish the mathematical model and simulation,through detailed introduction o

7、f the coordinate transformation,the three-phase stationary coordinate transformation to a two-phase synchronous rotating coordinate system,we choose the most commonly based on the orientation of the rotor stator voltage current control method to achieve double-fed asynchronous motor output active po

8、wer and reactive power decoupling control,and the stator flux oriented control compared stator flux measurement is not required,it is relatively simple to implement.And when the grid voltage dips,through the rotor side current control,change the double-fed asynchronous motor output reactive power to

9、 the grid to provide reactive power support to improve transient stability of the grid.Keywords:Double-fed wind turbine,Reactive power control,VSCF,LVRT Stator,voltage orientationII目录摘要IAbstractII1绪言1.1课题背景11.1.1风力发电的发展趋势11.1.2风力发电的原理11.1.3风力发电技术31.1.4带转子侧和电网侧变流器的双馈异步发电机31.1.5并网导则31.1.6低电压穿越41.2课题研究

10、的目的和意义41.3国内外概况51.4课题的主要研究工作52双馈风力发电系统的模型和控制方法2.1双馈风力发电机62.1.1双馈风力发电机的特点62.1.2变速恒频发电与恒速恒频发电的比较72.1.3恒频变速风力发电系统的控制目标72.2双馈风力发电机的数学模型82.2.1异步电机的在三相静止坐标系中的数学模型82.2.2关于双馈风力发电机的参考坐标系变换102.2.3异步电机在-静止坐标系的数学模型132.2.4双馈风力发电机在两相旋转坐标系中的数学模型143电网侧PWM变流器的控制3.1内模控制163.2虚拟电网磁链定位174转子侧PWM变流器的控制4.1基于定子磁链矢量控制194.2基于

11、定子电压矢量控制204.2.1双馈风力发电机风力发电系统定子电压定向控制204.2.2双馈风力发电系统的控制系统215双馈风力发电机的仿真6总结与展望致谢28参考文献29III1绪言1.1课题背景1.1.1风力发电的发展趋势自从工业革命以来，人类活动对传统能源的大规模利用已造成了严重的环境问题，在能源利用上必须找到新的出路，需要开发多种可持续的清洁环保的能源，并加以利用，建立相应的新能源供应体系，以减少污染排放，实现社会的可持续发展。因此绿色环保，节能减排已成为全社会各行业的发展方向。目前世界上普遍采用化石燃料和核燃料来发电，但是他们都对环境有不利的影响，比如排出的二氧化碳而导致大气温室效应和

12、核燃料问题。在20世纪70年代，人们已经认识到化石燃料的有限及其对环境的危害，随着这种认识的加深，人们开始意识到了利用可再生能源来满足世界不断增长的电力需求。1973-1979年的石油危机，促使一些国家开始认识到要减少石油的进口，以减少对石油输出国的依赖，而在海湾战争（1990-1991）期间，人们愈加的认识到了这个问题。环境问题和化石燃料的消耗问题促使人们去寻找可持续利用的能源。风力机就是把可再生的风能转化为电能，风能是全球的巨大的，可再生的能源。人类很早就开始利用风能作为动力，最早利用的是驱动帆船。早在公元前5000年，人们利用风力驱动航船沿尼罗河逆流而上。到公元1000年时，斯堪的维纳亚

13、人就利用风能来开发和征服北大西洋。在1602-1799年间，风能是航海的主要动力，在过去的几千年里，主要是利用风车来提供可用的机械能，1888年开始利用风力机来发电。比起其他的可再生能源，如光伏、波浪能、潮汐能和地热能等，风能是一种相对廉价的可再生能源。一些政府提倡利用可再生能源，所以风能资源的利用得到了大幅度的增加。太阳辐射能量的大约20亿分之一投射到地球上，其中大约20%被地球大气层吸收，大气被加热对流形成风。据估计。世界风能总量约200亿千瓦，相当于全世界发电总量的8倍，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。1.1.2风力发电的原理风力机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴

14、风力发电机旋转轴的方向与地面平行，有塔架较高，可为风能叶片的旋转留下足够的空间，并且可以更好的利用高空风资源。垂直轴风力发电机旋转轴垂直于地面。比较两种方案，由于叶片的设计以及可以获得更强的风力，水平轴风力发电机具有更高的风能转换效率。水平轴风力发电机主导了今天的风电市场，尤其是在大型商用风电场中。风力发电机分为变速和恒速风力发电机。风力发电机只能在额定风速下达到最大转换效率，在其他风速下，风力机的效率会有所下降。叶片通常经过特定的气体动力学设计，防止阵风造成损坏。定速风力机产生的输出的功率波动很严重，会对电网造成扰动。另一方面，变速风力发电机可以在较宽的风速范围内，实现最大的能量转换效率。风

15、力发电机可以不断地根据风速调整其速，在这一过程中，叶尖速度比，即叶尖速度和风速的比值，可以保持在最佳值，以在不同风速下都能获得最大的能力转换效率。为了使风力机转子速度可调，变速风力机通常通过变流器接入电网，该变流器系统可以控制在机械上与风力机风轮连接的发电机的转速。变速风力机的主要优点是：提高风能输出，提高电能质量，和降低机械应力。主要缺点是：生产成本的上升以及采用变流器导致功率损耗的增加。然而，更高的能力转换效率可以补偿额外的成本和功率损耗。风力发电系统可通过风力机叶片，将风的动能转化为机械能，然后再通过发电机转化为电能。由于风力发电系统的能量来源是风的动能，风速对转化过程具有重要的作用，尤

16、其是与最大输出功率相关的问题。风的动能到机械能之间的转换是由安装在风力机风轮轮毂上面的叶片实现的。风轮轮毂安装在主轴上，也就是常说的低速轴。由此获得的机械能将通过传动系统（轴、轴承、齿轮箱）传送至发电机，进而将机械能转化为电能。通常情况下，用于将发电机产生的电能输送至电网的变流器，将辅助实现这一能量转换过程。大多数风力机组件均封闭在位于塔架顶端的机舱内。不考虑风力机械的利用系数的前提下，单位面积获得的风功率称为风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小。尽管单叶片和双叶片风力机均获得了实际应用，但是对于大型风力机系统，三叶片转子被认为是最符合工业标准的配置形式，风力机叶片数量越少，其转速越高。若风

17、速，扫掠面积，可由下列公式计算出气流功率为：(1.1)由于叶片捕获的风能功率及其转化的机械功率：(1.2)叶片的功率系数，根据贝兹极限，该系数的最大理论值为0.59，在当前的技术条件下，现代风力机的功率系数通常在0.2-0.5范围内，且为转速和叶片数量的函数。从公式可以看出，存在三种方式可以提高风力机的捕获功率：风速、功率系数和扫掠面积。由于风速属于不可控量是，提高风速的唯一途径就是将风力机安装在平均风速较高的区域。其中海上风电场就是一个很好的例子，海上风速通常高于陆地，且更稳定。捕获功率与风速之间为三次方函数关系。也就是说平均风速加倍时，其可捕获的功率将提高至原来的八倍。其次，可通过设计风力

18、机使其具有更大的扫掠面积（即增加叶片的度），来提高捕获的功率，扫掠的面积为，其中叶片的长度，增加叶片的长度，扫掠面积和捕获功率都以二次方的关系增加。这也就解释了过去的10年中，风力机的风轮直径不断增加的发展趋势。最后，还可以通过第三种方法，即通过更为优良的空气动力学设计来改善叶片的功率系数，进而提高捕获的功率。1.1.3风力发电技术风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。现代风力发电技术发展趋势主要体现在提高风电系统效率、提高可靠性和降低成本这三方面。提高风电系统效率的主要方法为:增大单机容量和变桨距变速发电。作为提高风能利用率和发电

19、效益的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型比发展。1997年以前，全球兆瓦级机组市场份额还小到10%,2002年则达到62.1%,2003年全球安装的风电机组平均单机容量达到1.2MW。目前1.5兆瓦及其以上的风机已基本上垄断了风电的市场。早期风力发电机组的叶片与轮毂的连接是固定的，当风速变化时，叶片的迎风角度不能随之变化，即叶片桨距角不能调节。而大型的风力发电机的变桨距角机构可以保证风力机的叶片可以选择，随着风速、风向可以控制调整叶片的攻角，那么这样就可以改变转换效率，进而可以提高风力发电机捕获的机械功率。同时当出现高风速时还可以保护风力发电机，让风力机少捕获一点功率，或者不接受输入的机械

20、功率，将风力机关闭。1.1.4带转子侧和电网侧变流器的双馈异步发电机该系统的配置和绕线转子异步发电机基本一样，只是绕线转子异步发电机得转子回路的可变电阻换成了连接电网的变流器，系统不需要软起动器或无功功率补偿，该系统的功率因数可由变流器调节，变流器只需要处理转子回路的转差功率，因而容量大约是发动机额定功率的30%。与使用全功率的风力发相比，该方案的成本较低。该变流器允许转子回路的功率双向流动，从而提高了发电机的转速变化范围。和定速风力发电系统及带可变电阻的系统相比,该系统的整体功率转换效率提高了，发电机的转速变化范围增大了，动态性能增强了。这些特点使得双馈风力发电机系统广为市场所接受。1.1.

21、5并网导则许多国家已制定并实施并网导则多年，用来确保电力系统标准的统一，并为制造商的产品开发提供了一个框架。并网导则的制定，通常依据电力系统运作中取得的经验。不同的运营商的并网导则不同，不同的区域和地理条件也会导致并网导则的差异。由于可再生能源的迅速发展和并网许多国家已更新并网导则，已解决与可再生能源发电相关的问题。根据新的并网导则，风电场往往作为发电厂，应以常规发电厂的方式运行。并网导则的主要内容包括故障穿越的要求、有关管理和无功功率的控制，频率和电压的调节，电能质量和系统的保护。1.1.6低电压穿越低电压穿越：当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不

22、间断并网运行。电网短路故障会引起电网电压骤降，这些电网波动可能会导致发电设备脱网，从而导致电网不稳定。为了避免这种情况的发生，并网导则要求即使在电网电压跌落很严重的情况下，发电设备应该保持并网持续运行。其中，电网跌落的深度和持续的时间通常用电压和时间图定义。电网故障时对低电压超越的要求，其中电网额定电压，在图中的限制线以上时，发电系统必须在电网故障期间保持联网，即使在电网电压降为零，并持续150ms的情况下。只有在电网电压跌落到限制线以下时，该系统才允许解列。并网导则还要求系统在故障时提供一定的无功电流，以支撑电网电压。风电机组应该具有低电压穿越能力：a）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压

23、时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力；b）风电场电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行；c）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。1.2课题研究的目的和意义由于我国风电场大多处于电网末端，风电场并网运行对电网无功功率和电压的影响已经成为了特别需要关注的问题之一。风电场对无功功率和电压的影响已经成为限制风电装机容量的主要障碍之一。在常规的电力系统中，系统的扰动可以是符合的增加，而在包含风电场的电力系统电压稳定性研究中，系统的扰动则可能是风速的变化引起的风电场出力的变化。变速风电机组还具有故障情况下的动态无功功率支持能

24、力，在正常控制策略下双馈风电机组在电网侧发生大扰动（如三相短路故障）时，能够提供动态电压支持，因此其静态及暂态稳定性要远远好于基于普通异步发电机的恒速风电机组。1.3国内外概况在过去的20年中，风力发电机的装机容量持续增长。自2000年起，风电行业每年的平均增长速度超过了25%，预计在未来的数年仍将保持这一趋势。风电的快速增长源于传统能源成本的不断增加、风力发电机成本的不断降低、政府的激励政策以及对清洁能源的需求。从有关数据显示，截止到2009年，虽然欧洲整体的装机容量一直保持领先，但是美国的装机容量在短短两年的时间内增长了近50%，已经超越了德国，达到世界领先水平。而亚洲国家的装机容量正在追

25、赶，主要来自于中国和印度市场的推动。事实上，中国在最近一年的装机容量翻翻，并预计未来几年仍将快速增长。尽管风力发电在持续增长，然而风力发电在总发电量中所占的比例依然较低。例如德国占6.4%，美国只占1.8%，相比之下丹麦、葡萄牙和西班牙分别以20%、15%、13%的比例保持领先。在过去的20年中，由于化石燃料的成本增加，储备有限及其对环境的不利影响，可再生能源被高度关注。与此同时，技术的进步、成本的降低，以及政府不断推出的鼓励政策，进一步提高了可再生能源的竞争力。其中风能是发展最快的可再生能源之一。风能的利用已经有了几百年的历史，人们利用风力来研磨谷物，抽水、航海等。最早的风力发电机产生于19

26、世纪晚期，是一个12KW的直流风力发电机。然而到20世纪80年代，风力发电技术才变得相对成熟，更高效可靠的产生电能。在过去的20年里多种风力发电技术得到了快速发展，提高了风电转换效率，降低了风电生产成本。单台风力发电机的容量已经从几千瓦增加到几兆瓦。除了陆上风力机以外，人们已经建造出了大型的海上风力发电机组，用来获取更多的风能，减少了土地征用，还可降低对景观的影响。在20世纪80年代初，风力机的额定功率为50KW，风轮直径仅15米，现在的风力机的额定功率可高达7.5MW，风轮直径高达126米。预计10MW的风力机将会出现，风轮直径达145米左右，约为波音747飞机长度的两倍。风力机捕获的能量与

27、风轮直径的二次方成正比，所以风轮直径的增加将意味着更多的电能输出。我国风力发电装机容量仅占全国电力装机的0.11%，风力发电潜力巨大。1.4课题的主要研究工作针对双馈风电机组低电压穿越的无功控制策略这一课题做的细致的研究，目的是通过定子（电网）电压定向控制，使双馈风力发电机组达到变速恒频运行的目的。同时对双馈风力发电机组在所接入的电网发生大的故障时（三相短路）关于低电压穿越进行了仿真分析。首先对风力发电的基本原理进行了介绍，分析了影响风力发电机组输出功率的几个因素，介绍了风力发电的发展趋势和国内外的风电发展概况，分析了不同结构的风力发电机组和不同的控制方法对风力发电机的控制，以及风电场对电网的

28、影响和作用。文中对双馈异步电机进行了数学模型的建立和仿真，通过详细的坐标变换的引入，将三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系，我们选用最常用的基于定子电压定向的转子电流控制方式，实现双馈异步电机输出有功功率和无功功率的解耦控制，并且与定子磁链定向控制相比，不需要测量定子侧的磁链，所以实现起来较简单。并且当电网电压骤降时，通过对转子侧电流的控制，改变双馈异步电机输出的无功功率，对电网提供无功功率支持，改善电网的暂态稳定性。2双馈风力发电系统的模型和控制方法2.1双馈风力发电机2.1.1双馈风力发电机的特点随着风电技术的发展，风力发电机单机容量不断增加。由于风力发电机输入的机械功率正比于叶片的功率

29、系数，而叶片的功率系数与叶尖速度比有一个曲线的函数关系，而叶尖速度为叶片尖端的线速度与风速的比值，所以要获得最大的输入的机械功率，在不同风速下，只由控制风力发电机转子的转速，所以风力发电机在变速恒频状态下运行，可以获得最大的输入的机械功率。图2.1双馈风力发电机系统图2.2功率系数与叶尖速比的关系曲线图2.3变速风力系统的功率曲线最大功率点跟踪控制（MPPT）,对于在低于额定风速条件下的变速风力机的控制，这种控制的主要的目的是在不同的风速下实现风力机捕获功率的最大化，可通过将叶尖速比维持在其最佳值，是通过调节其转速的方式来实现的。当给定一个风速时，风力发电机的转速要达到一个最佳的叶尖速比，功率

30、曲线会有一个最大的功率点，为了在不同的风速下产生最大的功率，就需要风力发电机的转速进行调节，以确保发电机总是工作在最大功率点。下面介绍风力发电机的三种工作模式：停机模式、发电控制模式、变桨距控制模式。停机模式就是当风速低于风力发电机系统的切入风速时，输出的功率小于发电机内部消耗的功率，那么风力机就会停机，机械制动器会启动。当给定的风速在切入风速和额定风速之间时，叶片将以最佳攻角运行。为了在不同风速下均可实现最大功率点跟踪控制，风力机必须以不同的转速运行。这就是发电控制模式。当风速高于额定风速，但低于切出风速时，在系统发电并以额定功率向电网输电的过程中，为了避免风力机遭到破坏，可通过变桨距控制机

31、构将风力机的捕获功率，保持在一个恒定值上。而且当给定的风速高于切出风速时，此时也必须处于停机模式。2.1.2变速恒频发电与恒速恒频发电的比较风力发电机并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率一致。保持输出频率恒定的方法有2种:恒速恒频和变速恒频。风力发电机只能在额定风速下达到最大转换效率，在其他风速下，风力机的效率会有所下降。叶片通常经过特定的气体动力学设计，防止阵风造成损坏。定速风力机产生的输出的功率波动很严重，会对电网造成扰动。另一方面，变速风力发电机可以在较宽的风速范围内，实现最大的能量转换效率。风力发电机可以不断地根据风速调整其速，在这一过程中，叶尖速度比，即叶尖速度和风速的比值，可

32、以保持在最佳值，以在不同风速下都能获得最大的能力转换效率。为了使风力机转子速度可调，变速风力机通常通过变流器接入电网，该变流器系统可以控制在机械上与风力机风轮连接的发电机的转速。变速风力机的主要优点是：提高风能输出，提高电能质量，和降低机械应力。主要缺点是：生产成本的上升以及采用变流器导致功率损耗的增加。然而，更高的能量转换效率可以补偿额外的成本和功率损耗。2.1.3恒频变速风力发电系统的控制目标要控制双馈异步风力发电机恒频运行，并且保证定子三相绕组输出的电压恒定，我们还要在电网发生故障时，给电网提供一定的无功支持。变速风电机组还具有故障情况下的动态无功功率支持能力，在正常控制策略下双馈风电机

33、组在电网侧发生大扰动（如三相短路故障）时，能够提供动态电压支持，因此其静态及暂态稳定性要远远好于基于普通异步发电机的恒速风电机组。2.2双馈风力发电机的数学模型2.2.1异步电机的在三相静止坐标系中的数学模型由于异步电机在不同是坐标系下，异步电机数学模型的表达式是不一样。在研究异步电机数学模型时，进行如下的假设：1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。3）忽略铁心损耗,不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论异步电机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。

34、异步电机三相绕组可以是Y连接，也可以是连接。若三相绕组为连接，可先用Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行分析和设计。三相异步电机的物理模型如图2.1所示。定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，转子绕组轴线a、b、c以角转速随转子旋转。如以A轴为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。由此可以列写出由电压方程、磁链方程、运动方程、转矩方程所组成的异步电机数学模型。图2.1三相异步电机的物理模型图2.4异步电机矢量模型电压方程:(1)定子电压方程为:(2.1)(2)转子电压方程为:(2.2)将电压方程写成矩阵形式:(2.3)其中，、为定子三相电压；、为转子三相电压；、为定

35、子三相电流；、为转子三相电流；、为定子三相磁链；、为转子三相磁链；、分别为定、转子电阻；为微分算子。磁链方程为:(2.4)其中，式中，为定子A轴和转子a轴间的空间位移角；为定子和折算后的转子间的互感；、分别为定子和转子漏感。运动方程在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是：（2.5）式中，为负载转矩，J为系统转动惯量，为转子转速。转矩方程：（2.6）式中，为电机极对数。上式说明电机转矩是定子和转子电流及的函数，是一个多变量、非线性且强耦合的方程。2.2.2关于双馈风力发电机的参考坐标系变换矢量控制的基本思想是：要用参考坐标的变换，将实际上的三相感应异步电机等效转换成在同步旋转坐标系下的直流电机

36、。要实现的是，三相异步电机输出的有功功率和无功功率可以通过转子中d轴和q轴分量分别控制，那么我们就可以对双馈风力发电机输出的有功功率和无功功率进行分别控制，达到为电网无功平衡做出贡献。在异步电机中，最重要的是旋转磁场的产生，比如说定子绕组因为流通有三相交流电流，所以产生一个旋转磁场，不管绕组的的具体结构和参数是怎样的，只要它产生的磁场是相同的，即磁场的空间分布、转速和转向相同，那么同转子相互作用之后的效果就是相同的，即在转子绕组中感应的电动势，产生的感应电流，和产生的电磁转矩相同。那么对转子绕组也有同样的结论，从定子侧只能看到转子侧绕组产生的磁场，而看不到转子绕组本身的的具体结构。也就是说不同

37、的结构形式的绕组在产生磁场方面是可以等效的。图A，图B，图C分别是三相对称静止绕组、两相对称静止绕组、两相旋转绕组。如果在三相对称静止绕组中通入角频率的三相对称电流，可以产生一个在空间以电角速度旋转的旋转磁动势；如果在两相对称静止绕组通入角频率的两相对称电流，同样也可以产生一个在空间以电角速度旋转的旋转磁动势；如果在两相旋转绕组中通入直流电流,同样也可以产生一个在空间以电角速度旋转的旋转磁动势。那么可以这样说，在一定条件下，上述三种绕组可以产生大小相等，转速，转向相同的磁场，因此从磁场角度看，他们之间可以相互效。图2.5坐标变换矢量坐标变换原理:在研究异步电机调速时，常常会用到坐标变换。异步电

38、机的坐标变换主要有三种，即三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，或两相静止坐标系变换到三相静止坐标系；由两相静止坐标系变到两相旋转坐标系，或者由两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系；由直角坐标系的相互变换。三相/两相变换（3s/2s）交流电机三相对称绕组通以三相对称电流可以再电机气隙中产生空间旋转的磁场，在功率不变的条件下，按磁动势相等的原则，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效，三相静止坐标系和两相坐标系的变换则建立了磁动势不变情况下三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。设、为两相对称绕组的电流，为三相对称绕组的电流。三相电流变换为两相电流的关系为（2.7）式中，为便

39、于逆变换而增加的一相零序分量；为3s/2s变换矩阵。两相电流变换到三相电流的关系为:（2.8）两相/两相变换（2s/2r）两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换是用于建立两相静止绕组和两相旋转绕组间电流或电压之间的关系。图2.6 2s/2r变换两相旋转坐标系到两相静止坐标系的矩阵形式为(2.9)两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的矩阵形式为(2.10)同理，电压和磁链的旋转变换也与电流旋转变换相同。2.2.3异步电机在-静止坐标系的数学模型通过静止二相-坐标变换，虽然使异步电机的数学模型得到了简化，但此时站在-静止坐标系上看异步电机的各物理量，它们依然是交流量。按照矢量控制原理，要想将这些交流量

40、转换为直流量，需要引进d-q同步旋转坐标变换。该坐标系是一个二相旋转直角坐标系，它的d轴可按不同方向定向，其q轴逆时针超前d轴空间电角度，该坐标系在空间以定子磁场的同步角速度(也就是转子磁场的同步角速度)旋转，站在d-q同步旋转坐标系上再来看交流电机的各量，这些交流物理量就为直流量了。定子方程：定子电压方程为:(2.11)转子电压方程为(2.12)磁链方程：定子磁链方程为(2.13)转子磁链方程为:(2.14)式中：、为定子电压的、分量，、为转子电压的、分量；、为定子电流的、分量，、为转子电流的、分量；、为定子磁链的、分量，、为转子磁链的、分量；、分别为定子、转子两相绕组的自感，为定、转子两相

41、绕组之间的互感，为转子转速。1代表定子侧变量，2代表转子侧变量(也可用s代表定子侧变量，r代表转子侧变量)。对于鼠笼型异步电机，转子短路，即，则电压方程可变化为下列矩阵式：(2.15)转矩方程:(2.16)以上是二相-静止坐标系当轴固定在定子A轴上时异步电机的数学模型。在-静止坐标系下系统的数学模型得到了简化。2.2.4双馈风力发电机在两相旋转坐标系中的数学模型图2.7异步电机电路图双馈风力发电机在两相同步旋转坐标系d-q中的数学模型：异步电机定子电压方程：(2.17)(2.18)异步电机转子电压方程：(2.19)(2.20)异步电机定子磁链方程：(2.21)(2.22)异步电机定子磁链方程：

42、(2.23)(2.24)定子侧有功功率，无功功率方程：(2.25）（2.26）式中：、为定子电压的d、q分量，、为转子电压的d、q分量；、为定子电流的d、q分量，、为转子电流的d、q分量；、为定子磁链的d、q分量，、为转子磁链的d、q分量；、分别为定子、转子两相绕组的自感，为定、转子两相绕组之间的互感，为转子转速。s代表定子侧变量，r代表转子侧变量(也可用1代表定子侧变量，2代表转子侧变量)。3电网侧PWM变流器的控制3.1内模控制3.2虚拟电网磁链定位3.3 PWM变频器SPWM变频器的主电路，变频器由整流部分(D1D6)、整流电容C和逆变部分(VT1VT6)组成。其中VT1VT6为六个功率

43、开关器件，分别由续流二极管进行反并联接，其中整个逆变器环节是由恒值直流电压配进行供电。图3.1 AC-DC-AC变频器主电路的原理。图3-1 AC-DC-AC变频器主电路的原理。逆变器一相电流滞环控制的原理如图3.2。电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2，其中。是设定的最大电流偏差。去PWM定子电流BHC电流给定设定 给定正波 发生器驱动电路 电流检测图3.2电流滞环跟踪控制的原理图电流偏差的允许范围可用下式表示（3.1）实际的电流变化过程受到电机感应电动势、绕组阻抗和续流二极管作用的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量增加；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使

44、开关频率增大。因此，在实际应用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。4转子侧PWM变流器的控制4.1基于定子磁链矢量控制4.2.1双馈风力发电机风力发电系统定子电压定向控制定子电压定向控制原理：在双馈异步发电机风力发电系统中，发电机的定子直接和电网相连，因此其电压和频率在额定运行状况下是恒定的。因此，双馈异步发电机非常便于使用定子电压定向控制。这和电机拖动装置相反，他们通常采用转子或定子磁链定向控制。定子电压定向控制可以通过将同步旋转坐标系下d轴和定子电压矢量对齐来获得，因此有：（4.1）（4.2)由于双馈异步发电机的定子电压，幅值、相位都是恒定的，那么定子电压在两相

45、同步旋转坐标系下的电压矢量也是恒定，同时也认为在两相同步旋转坐标系下定子磁链也是恒定的。同时发电机定子绕组的电阻压降相对于电网电压可以忽略不计，那么即：(4.3)(4.4)(4.5)于是当采用定子电压定向矢量控制是，改写双馈风力发电机定子有功功率和无功功率方程：(4.6)(4.7)在以定子电压定向的同步旋转坐标轴d-q下，通过对双馈发电机的转子电流,的控制，可以有效地实现发电机输出有功、无功功率的独立解耦制.定子电压矢量控制的定子电流在同步旋转坐标轴d-q下的方程：(4.8)(4.9)定子电压矢量控制的转子电压在同步旋转坐标轴d-q下的方程：(4.10)(4.11)(4.12)(4.13)于是

46、当采用定子电压定向矢量控制是，改写双馈风力发电机定子有功功率和无功功率方程(用转子电流控制)：(4.14)(4.15)那么双馈风力发电机定子输出的有功功率和无功功率的绝对值：(4.16)(4.17)通过以上两个公式，可以非常直观地看出，由于定子电压始终与电网电压保持一致，为一恒定值，而双馈风力发电机得定子电感和同步角频率等参数也为常数，所以双馈风力发电机输出的有功功率和无功功率唯一只由转子电流决定，又由于以定子电压定向的同步旋转坐标轴d-q下，有功功率只由转子电流的d轴分量决定，无功功率只由转子电流的q轴分量决定，那么通过控制转子电流，就可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，就达到了我们建模的

47、目的。4.2.2双馈风力发电系统的控制系统我们的双馈风力发电系统的控制系统采用双PWM变流器，包括电网侧变流器和转子侧变流器，还有中间的直流部分。而电网侧变流器采用电网（定子）电压矢量定向控制策略，主要是为了保持电网侧电压恒定保持不变。我们采用双环控制系统，主要原理是闭环反馈控制，外环用直流电压，内环用变流器电流。而当转子侧变流器采用电网（定子）电压矢量定向控制策略时，也采用双环控制系统，外环为功率，内环为转子电流，且不管是里面的反馈环还是外面的反馈环，我们都用常见的PI调节器，内环电流的解耦算法如下：(4.17)(4.18)5双馈风力发电机的仿真当双馈发电机的定子接上电网后，定子电压即为电网电压，其幅值、频率可看作都是恒定的，则定子三相电压在同步旋转坐标系下的电压矢量Us是恒定的;此时在同步旋转坐标系下亦可以认为定子磁链是不变的。同时发电机定子绕组的电阻压降相对于电网而言，是可以忽略不计的，故为基于定子（电网）电压定向的双馈风力发电机双PWM变流器控制系统框图。图中有功功率参考P*跟随双馈发电机的输入机械功率来实现对电网的最大有功功率输出，无功功率参考量Q*根据电网的需求进行调节，一般情况下设为0。双馈风力发电机组系统是由异步感应电机和变流器组成，变流器包括电网侧变流器和转子侧变流器，实际上是一个AC-DC-AC变换系统，